EP4359173A1 - Werkzeugmaschine und verfahren zur durchführung eines ladungsausgleichs zwischen akkumulatoren in einer werkzeugmaschine - Google Patents

Werkzeugmaschine und verfahren zur durchführung eines ladungsausgleichs zwischen akkumulatoren in einer werkzeugmaschine

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Publication number
EP4359173A1
EP4359173A1 EP22735337.2A EP22735337A EP4359173A1 EP 4359173 A1 EP4359173 A1 EP 4359173A1 EP 22735337 A EP22735337 A EP 22735337A EP 4359173 A1 EP4359173 A1 EP 4359173A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
machine tool
accumulators
stator
power electronics
motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22735337.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Lacher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hilti AG
Original Assignee
Hilti AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hilti AG filed Critical Hilti AG
Publication of EP4359173A1 publication Critical patent/EP4359173A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25F—COMBINATION OR MULTI-PURPOSE TOOLS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; DETAILS OR COMPONENTS OF PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS NOT PARTICULARLY RELATED TO THE OPERATIONS PERFORMED AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B25F5/00—Details or components of portable power-driven tools not particularly related to the operations performed and not otherwise provided for
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/00712—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
    • H02J7/00714—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery charging or discharging current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter

Definitions

  • the invention relates to a machine tool with a first battery and a second battery, the machine tool having first power electronics with a first inverter and second power electronics with a second inverter, the first inverter being electrically connected to the first battery and the second inverter to is present electrically connected to the second accumulator.
  • the first power electronics includes a first charge balancing device, while the second power electronics includes a second charge balancing device.
  • the charge equalization devices are set up to carry out charge equalization between the accumulators.
  • the machine tool includes a device for speed control.
  • the invention relates to a method for carrying out charge equalization between two accumulators in a machine tool. The charge equalization is carried out by the charge equalization devices of the power electronics.
  • hammer drills chisels, cutters or Win kelschleifer
  • screwing devices in each of which a tool is driven by a motor.
  • a power supply can be provided via a mains connection or with batteries or accumulators (“accumulators”).
  • Machine tools with two accumulators are known from the prior art, in which the accumulators are connected in series and are guided by power electronics.
  • the power electronics and the motor of the work machine tool are designed for double the operating voltage. Double the operating voltage corresponds to twice the voltage of one of the accumulators.
  • DE 11 2017 002 637 T5 discloses a system with two battery packs, the first battery pack being selectively electrically connected in series with the second battery pack.
  • machine tools are known in the prior art whose motors include several re winding systems or winding groups.
  • the object of the present invention is therefore to overcome the above-described deficiencies and disadvantages of the prior art and to provide a machine tool with at least two accumulators and a method for carrying out charge equalization between two accumulators in a machine tool, with which improved charge equalization between the accumulators can be achieved should be made possible.
  • a particular concern of the invention is that the charge equalization should take place in both directions.
  • Experts would also appreciate it if a technical solution could be provided with which charge equalization between the accumulators of a machine tool can be carried out, at least during operation or while working with the machine tool.
  • the object is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments of the subject matter according to the invention are described in the dependent claims.
  • the object is achieved in a first aspect by a machine tool with a first battery and a second battery, the machine tool having first power electronics with a first inverter and second power electronics with a second inverter, the first inverter being electrically connected to the first battery ver connected and the second inverter is electrically connected to the second accumulator.
  • the first power electronics includes a first charge equalization device and the second power electronics includes a second charge equalization device, the charge equalization devices being set up to carry out charge equalization between the accumulators.
  • the machine tool comprises at least one speed control device, with the at least one speed control device being connected upstream of the charge-equalizing devices.
  • the invention particularly relates to a drive system for an electric machine tool.
  • the machine tool can include a brushless motor, the motor according to the present invention being powered by two separate accumulators and power electronics.
  • the invention can be used to provide a machine tool with two separate power electronics units, in which the two accumulators are connected to the motor of the machine tool via the power electronics units.
  • the components of the system are present or interact with one another in such a way that, during normal operation of the machine tool, energization of the motor is optimized based on the states of the accumulators. This optimization can be achieved in that the charge equalization devices of the power electronics are set up to carry out charge equalization between the accumulators.
  • the charge equalization devices provided for carrying out charge equalization represent control blocks for the optimized division of power between the accumulators.
  • the charges are preferably equalized by currents or current flows, it being possible for the current flows to be determined using the formulas given below.
  • the at least one device for speed control is connected upstream of the charge equalization devices.
  • the speed control device is therefore provided within the power path before the charge equalization device, ie the charge equalization takes place after any speed control.
  • the device for regulating the speed of the machine tool is a component of the power electronics.
  • each of the two electronic power units includes a device for speed control.
  • only one of the two electronic power units has a speed control device.
  • the electrical power path is preferably routed from the two accumulators to the motor of the machine tool via separate power electronics.
  • the motor can have separate winding systems.
  • this preferably means that the motor of the machine tool, which preferably has a rotor and a stator, comprises two winding systems.
  • the stator of the motor of the machine tool comprises a first and a second winding system, so that the stator of the motor of the proposed machine tool is preferably referred to as a "double-wound stator" within the meaning of the invention.
  • the motor preferably comprises a rotor and a stator with a first winding system and a second winding system. It is particularly preferred within the meaning of the invention that the winding system is designed as a three-phase winding system. For the purposes of the invention, this preferably means that the motor of the proposed machine tool preferably comprises three motor phases for each winding system. It is preferred within the meaning of the invention that a winding system in a three-phase motor comprises three windings, it being possible for the windings to be connected in a star or in a delta.
  • the power electronics of the machine tool each include an inverter.
  • the first inverter is electrically connected to the first accumulator and the second inverter is electrically connected to the second accumulator.
  • the electrically conductive connection between the inverters and the accumulators is preferably also referred to as “assignment of the inverters to the accumulators” within the meaning of the invention.
  • the charge equalization between the rechargeable batteries of the machine tool can be optimized in particular by the first and the second inverter of the power electronics being set up to determine status data relating to the rechargeable batteries.
  • the status data can then be exchanged with one another via a communication link that exists between the inverters. For example, raw data can be exchanged.
  • the communication connection can be designed, for example, as a controller area network (CAN) or as a universal asynchronous receiver transmitter (UART).
  • CAN controller area network
  • UART universal asynchronous receiver transmitter
  • the power electronics include sensors and/or measuring devices to record the status data.
  • voltages can preferably be recorded and digitized by an internal analog-to-digital converter (ADC) preferably directly via a voltage divider.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the current can be measured with the help of a shunt, for example, with a voltage drop being determined and evaluated in particular in order to obtain the values for the electrical current.
  • the machine tool includes a sensor system for detecting a position of the rotor of the machine tool.
  • This can preferably be an angle specification alpha_Rotor.
  • This sensor system can preferably be supplied with electrical energy from the power electronics. It is preferred within the meaning of the invention that the position of the rotor of the machine tool is detected and used to correctly energize the motor phases of the motor. In addition, the speed or the angular speed of the motor can also be determined from this sensor signal.
  • the power electronics include control devices. Consequently, the first electronic power system includes a first control device, while the second electronic power system has a second control device. It is preferred within the meaning of the invention that the control devices are preferably also referred to as “controls”.
  • the sensors and measuring devices advantageously deliver measurement and status data to the two controllers. It is preferred within the meaning of the invention that the measurement and status data determined by the sensors and measuring devices, such as angle signals, represent voltages, currents and/or temperatures. It is preferred within the meaning of the invention that in particular the control devices of the power electronics communicate with one another via the communication link.
  • the status data determined by the power electronics or their measurement and sensor systems include current values and/or voltage values that describe the performance of the accumulators.
  • the power electronics can preferably determine a state of the accumulators assigned to them by measuring the operating variables voltage (U1, U2) and/or current (I1, I2). Included the index “1” stands for the current or voltage values of the first accumulator, while the index "2" describes the current or voltage values of the second accumulator. It represents a significant advantage of the invention that the performance of the accumulators can be determined using the current and/or voltage values.
  • a charge equalization between the accumulators of the machine tool can be made possible, for example, by an optimization based on the voltage values of the accumulators.
  • the charge equalization takes place in particular using the charge equalization devices of the power electronics of the machine tool.
  • These charge balancing devices represent so-called “balancing control blocks" in which the equalizing currents are preferably as follows:
  • the letter "I" preferably stands for the target current from the speed controller.
  • the status data for optimizing the charge equalization are selected from a group comprising: charge of the accumulators, temperature of the accumulators, source voltage of the accumulators, maximum discharge current of the accumulators and/or optimal discharge current of the accumulators, without to be limited to that.
  • a temperature of the electronics of the machine tool can be used to optimize charge equalization between the two accumulators of the machine tool.
  • balanced_2 I (Pi kl + P2 k2 + P3 k3 + . . . )
  • the machine tool can include a battery management system and/or a cell management system, wherein the battery management system and/or the cell management system is/are set up to state data in relation to to record the accumulators of the machine tool.
  • An embodiment of the invention with a battery management system (BMS) is shown in FIG. It is preferred within the meaning of the invention that the power electronics include devices for current regulation.
  • These current control devices are preferably connected downstream of the charge equalization devices. In other words, this means that the current control device is provided after the "balancing control block" within the power electronics.
  • the current regulation device is therefore preferably provided within the power path after the charge equalization device, ie the charge equalization takes place before any regulation of the current. It is preferred within the meaning of the invention that the device for regulating the current is a component of the power electronics.
  • the device for speed control, the device for current control and/or the inverters are implemented as block, trapezoidal or sine commutation.
  • the invention in a second aspect, relates to a method for carrying out a charge equalization between two accumulators in a machine tool, the method being characterized by the following method steps: a) Operation of the machine tool, a motor of the machine tool being powered by the first accumulator and the second accumulator is supplied with electrical energy, b) Determination of status data in relation to the accumulators by the power electronics, c) Implementation of a speed control by a device for speed control of the machine tool, d) Implementation of the charge equalization between the accumulators depending on the previously determined status data by the Charge balancing devices in power electronics.
  • the charge equalization is advantageously carried out by different load sharing across the charge equalization devices of the power electronics.
  • a rotor is arranged inside the motor while the stator is arranged around the rotor.
  • the stator can, for example, comprise three pairs of stator coils, each of which can consist of a first and a second stator coil.
  • the stator coils can in particular be arranged in a circle around the rotor of the motor of the machine tool. According to the invention, it is preferred that the stator coils of a stator-coil pair are essentially opposite one another within the stator.
  • stator coils of the stator are wound in the same or essentially the same way in the sense that their windings comprise a first wire layer and a second wire layer, with the wire layers being formed in this way that they allow operation of the engine of the machine tool at a speed in the range of the speed of a comparison engine, but essentially half the power compared to the comparison engine.
  • the operation of the motor with half the power compared to a comparison motor is made possible in particular by the provision of two layers of wire which are present in the stator coils and which form a first and a second winding of the stator of the machine tool motor.
  • the first stator coils include the first winding and the second stator coils include the second winding.
  • the stator preferably comprises three pairs of coils, each pair of coils comprising a first and a second coil.
  • the first coils i.e. the first coil of the first, second and third pair of coils, comprise the first winding of the stator
  • the second coils i.e. the second coil of the first, second and third pair of coils, comprise the second winding of the stator include.
  • stator is wound twice in an essentially identical manner.
  • the provision of a stator with two windings is preferably referred to as a “double-wound stator” within the meaning of the invention.
  • the "double winding" is achieved in particular by the first winding and the second winding of the stator, the windings each comprising a wire layer.
  • the winding with the first wire layer forms the first winding of the stator coil and the winding with the second wire layer forms the second winding of the stator coil.
  • each of the windings is designed such that the winding can operate the machine tool motor at full speed and half power.
  • the double-wound stator thus acts like two individual motors, which, however, are arranged or wound on one stator.
  • the partial outputs of the two windings essentially add up to the total output of a comparison motor, with the stator coils of the comparison motor being essentially completely wrapped with a continuous layer of wire.
  • this last subordinate clause preferably means that the full or half power or speed is specified in the context of the present invention in relation to a comparison engine, the fictitious comparison engine being characterized in that it is essentially completely wrapped with a continuous layer of wire.
  • the coils of the comparison motor have the same number of turns as the coils of the motor of the present invention, but have twice the wire diameter.
  • the coils of the comparative motor are wound with a wire whose diameter is substantially twice that of the motor of the present invention.
  • the first winding of the stator coil is energized by a first inverter, while the second winding of the stator coil is energized by a second inverter, so that the sum of the two windings has a power in the range of the comparison engine for the engine of the machine tool can be provided.
  • essentially the entire power of a comparison motor can be started up if the windings of the stator are each energized by an inverter.
  • each winding contributes substantially half of the total power of a reference motor.
  • the nominal contribution of each of the two winding layers is approximately 50% of the power of the comparison motor.
  • the comparison motor does not have two windings or two wire layers, but only one winding and one wire layer that forms the winding.
  • a method for operating a machine tool is proposed conditions, wherein the first winding of the stator coils is energized by a first inverter, while ren the second winding of the stator coils is energized by a second inverter, so that a power in Area of the comparison motor for the machine tool motor is provided.
  • the full power of the motor can be provided by energizing the windings through the two inverters, with this full power preferably corresponding to the full power of the comparison motor.
  • first wire layers of the stator coils which form a first winding
  • second wire layers which form a second winding
  • the machine tool comprises a first accumulator and a second accumulator.
  • the first accumulator has a first charge level and the second accumulator has a second charge level, with the charge levels being able to be equalized by means of the charge equalization described above, in particular with the aid of the bridge circuit, when the machine tool is at a standstill.
  • the first charge level of the first battery is 75% and the second charge level of the second battery is 25%
  • charge equalization can be carried out with the invention with the aim that at the end both batteries have a charge level of around 50%.
  • a charge equalization carried out in this way enables the machine tool to be used effectively for longer because the charges can be better distributed within the accumulators and can thus be utilized.
  • the situation is avoided in which work with the machine tool has to be ended although one of the accumulators is still well charged.
  • FIG. 3 shows a preferred embodiment of the invention, in which the first winding is connected to a first rechargeable battery via a first inverter, while the second winding is connected to a second rechargeable battery via a second inverter.
  • charge equalization can advantageously be made possible both during operation and when the machine tool is at a standstill.
  • a method for carrying out charge equalization between two accumulators in a machine tool comprising a first inverter for energizing first stator coils and a second inverter for energizing second stator coils, the Inverter with the stator coils form a bridge circuit, which is set up to carry out a charge equalization between the accumulators of the machine tool.
  • the stator coils form a stator that has a first winding and a second winding, with charge equalization being achieved by electrical energy being transferred from the first winding to the second winding of the stator , or the other way around.
  • FIG. 1 exemplary embodiment of a double-wound stator according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 2 Representation of a possible embodiment of the stator with three pairs of stator coils
  • FIG. 3 exemplary circuit diagram for a double-wound stator with two accumulator factors
  • FIG. 4 shows a preferred embodiment of the stator, in which the first and the second winding are each arranged on the first and second coils of the stator-coil pairs
  • Fig. 6 Representation of a preferred embodiment of the invention with a battery management system (BMS)
  • Fig. 7 exemplary structure of a preferred embodiment of the first power electronics of the proposed machine tool with two accumulators
  • Fig. 1 shows an exemplary embodiment of the proposed motor 12 of the machine tool 10, wherein a machine tool 10 is not shown in the figures.
  • 1 shows the rotor 14 and the stator 16 of the motor 12 of the machine tool 10, which is preferably a brushless electric motor.
  • the stator 16 comprises a series of stator coils 20, 30 which can be arranged in pairs, for example, or can form pairs 18 of stator coils.
  • One group of stator coils can preferably be referred to as first stator coils 20 and the other group of stator coils as second stator coils 30 .
  • the stator 16 of the motor 12 of the machine tool 10 comprises a first winding 70 and a second winding 80, the windings 70, 80 each comprising a wire layer.
  • the first winding 70 comprises a first layer of wire
  • the second winding 80 comprises a second layer of wire.
  • each stator coil 20, 30 comprises a first wire layer and a second wire layer
  • the first wire layers of the stator coils 20, 30 forming the first winding 70 of the stator 16
  • the second wire layers of the stator coils 20, 30 form the second winding 80 of the stator 16.
  • the first stator coils form the first winding and the second stator coils form the second winding.
  • the first winding 70 is wound around the group of first stator coils 20 while the second winding 80 is wound around the group of second stator coils 30 in this embodiment of the invention.
  • each of the two windings 70, 80 enables the machine tool 10 to be operated in such a way that full speed can be achieved, but only half the power compared to the operation of a comparison motor.
  • the comparison motor essentially corresponds to the proposed motor, but the stator of the comparison motor has only one winding, ie one layer of wire.
  • each of the two windings 70, 80 of the proposed double-wound stator 16 is energized by an inverter 24, 34, with the first winding 70 of the stator 16 of the motor 12 of the machine tool 10 being energized by the first inverter 24, while the second winding 80 of the stator 16 of the motor 12 of the machine tool 10 is energized by the second inverter 34 .
  • the entire power of the motor 12 can be started, with each winding layer 70, 80 nominally contributing substantially 50% to the power of the motor 12.
  • the lines coming from the motor 12 in Fig. 1 preferably run in the direction of the inverters 24, 34.
  • stator 16 of the machine tool 10 has stator coils 20, 30, the stator coils 20, 30 forming a bridge circuit 90 with the inverters 24, 34.
  • the motor 12 of the machine tool 10 is preferably a brushless motor.
  • stator 1 also shows the electrical lines that can exist between the first wire layers 22 of adjacent stator coils 20, 30. Electrical lines can be arranged on the inner side of the stator 16, each of which connects the first wire layers within a stator coil 20, 30 to one another.
  • the inside of the stator 16 is preferably the rotor 14 of the motor 12 of the machine tool 10, since the rotor 14 of the motor 12 of the machine tool 10 is arranged inside the motor 12 of the machine tool 10.
  • FIG. 2 shows a possible embodiment of the stator 16 of the motor 12 of the machine tool 10 with three stator coil pairs 18.
  • Each stator coil pair 18 preferably includes a first stator coil 20 and a second stator coil 30, wherein this first stator coil 20 and the second stator coil 30, which together form a pair of stator coils 18, are preferably located opposite in the stator 16 of the motor 12 of the machine tool 10.
  • the three stator-coil pairs 18 are referred to as stator-coil pairs 18a, 18b and 18c in FIG. 2 and sub-figures 2a, 2b and 2c.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram for a preferred embodiment of the proposed double-wound stator 16 with two inverters 24, 34.
  • the stator 16 of the motor 12 of the machine tool 10 is shown in the middle of FIG.
  • the letters A, B, C stand for the three stator coil pairs 18a, 18b and 18c, while the numbers 1 and 2 indicate whether it is the first stator coil 20 or the second stator coil 30 of a stator -Coil pair 18 acts.
  • the stator coils A1, B1, C1 form the first stator coils 20 of the stator coil pairs 18, while the stator coils A2, B2 and C2 form the second stator coils 30 of the stator coil pairs 18 form.
  • the first stator coils A1, B1, C1 are preferably connected to a first inverter 24, while the second stator coils A2, B2 and C2 are preferably connected to a second inverter 34.
  • the inverters 24, 34 and the stator coils 20, 30 have a bridge circuit 90 or an H Form a bridge, with this bridge circuit 90 a charge equalization between the Ak accumulators 40, 50 of the machine tool 10 can be made possible. This is possible in particular because the motor 12 of the machine tool 10 is used as a DC-DC converter. As a result, electrical energy can be transferred from the first winding 70 of the stator 16 to the second winding 80 of the stator 16, or vice versa.
  • a charge equalization can also be carried out during operation of the machine tool 10.
  • the inverter e.g.: 24
  • the battery to be charged e.g.: 40
  • the capacity of the full battery e.g.: 50
  • This method can be made possible in particular by impressing a small braking torque.
  • FIG. 4 shows a representation of a preferred embodiment of the stator 16 in which the first winding 70 and the second winding 80 are respectively arranged on the first coils 20 and second coils 30 of the stator-coil pairs 18 .
  • the first stator coils 20 comprise the first winding 70 of the stator 16
  • the second stator coils 30 comprise the second winding 80 of the stator 16.
  • the stator 16 preferably comprises three coil Pairs 18, each pair of coils 18a, 18b, 18c comprising a first coil 20 and a second coil 30.
  • the first coil 20 of the first pair of coils 18a, the second pair of coils 18b and the third pair of coils 18c comprise the first winding 70 of the stator 16 of the motor 12 of the machine tool 10
  • the second Coils 30, i.e. the second coil 30 of the first pair of coils 18a, the second pair of coils 18b and the third pair of coils 18c comprise the second winding 80 of the stator 16.
  • the first stator coils 20 are denoted by A1, B1, C1 in FIG. 4
  • the second stator coils 30 are denoted by A2, B2, C2 in FIG.
  • the embodiment of the invention shown in FIG Charge balancing between the batteries 40, 50 can be used.
  • the first winding 70 of the stator 16 is energized by a first inverter 24
  • the second winding 80 is energized by a second inverter 34 .
  • the windings 70, 80 are formed in such a way that they can operate the motor 12 of the machine tool 10 at full speed but half the power compared to a comparison motor. All in all, the full power for the operation of the machine tool 10 can be provided by energizing the two windings 70, 80.
  • the inverters 24, 34 and the stator coils 20, 30 also form a bridge circuit 90 or an H bridge, with which charge equalization between the accumulators 40, 50 can be carried out.
  • the charge equalization preferably takes place in that electrical energy is transferred from the first winding 70 to the second winding 80 of the stator 16, or vice versa.
  • the accumulators 40, 50 are connected to the motor 12 of the machine tool 10 via the motor inverters 24, 34 and supply the motor 12 with electrical energy.
  • the first rechargeable battery 40 is connected to the motor 12 via the first inverter 24
  • the second rechargeable battery 50 is connected to the motor 12 via the second inverter 34 .
  • the inverters 24, 34 are each part of a power electronics 120, 130, which regulate the supply of electrical energy to the motor 12 or a charge equalization between the accumulators 40, 50. It is preferred within the meaning of the invention that the first inverter 24 is part of the first power electronics 120 while the second inverter 34 is part of the second power electronics 130 .
  • the communication connection 60 can be in the form of a CAN or UART connection.
  • FIG. 6 shows a preferred embodiment of the invention with a battery management system (BMS).
  • BMS battery management system
  • FIG. 6 shows a section of the first power electronics 120 of the machine tool 10.
  • the first power electronics 120 includes the first motor inverter 24, which is set up to communicate with the battery management system (BMS) via a second communication link 61 .
  • the letter «I» stands for the battery current and the letter «U» for the battery voltage. These quantities are preferably required for the charge balancing devices 100,110.
  • Fig. 7 shows an exemplary structure of a preferred embodiment of the first power electronics 120 of the proposed machine tool 10 with two accumulators 40, 50.
  • a device for speed control 32, a first charge balancing device 100, a device 22 for controlling a current flow and a first inverter 24 are shown in FIG. 7 as components of the first power electronics 120 .
  • the charge equalization device 100 can preferably also be referred to as a “balancing control block” within the meaning of the invention.
  • the proposed machine tool 10 has first power electronics 120 and second power electronics 130 , the second power electronics 130 preferably being constructed in accordance with the first power electronics 120 .
  • second power electronics 130 includes a second inverter 34, a device 22 for controlling a current flow, a second charge equalization device 110 and a device for speed control 32.
  • Fig. 8 shows a preferred embodiment of the invention with only one device for speed control 32. It may be preferred within the meaning of the invention that machine tool 10 comprises only one device for speed control 32, which is then preferably installed before charge-equalizing devices 100, 110 arranged. Downstream of the charge equalization device 100, 110, the power path in the embodiment of the invention shown in FIG first motor inverter 24 includes.
  • the second power electronics 130 preferably also includes a device 22 for measuring a current flow, as well as the second motor inverter 32.
  • the machine tool 10 comprises a charge equalization device (110 or 110), this charge equalization device (110 or 110) being connected to one of the inverters (24 or 34) or being a component thereof is. According to the invention, however, it can also be preferred that machine tool 10 comprises two charge equalization devices (110 or 110), with each inverter 24, 34 being assigned a charge equalization device (110 or 110). Also shown in Figure 8 are the actual currents IJst coming out of the inverter blocks 24,34. The current "I" between the speed controller 32 and the charge balancing device (110 or 110) symbolizes the target current from the speed controller 32.
  • Fig. 9 shows a preferred embodiment of the two winding systems 70, 80 of the inventions. reference list

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einem ersten Akkumulator und einem zweiten Akkumulator, wobei die Werkzeugmaschine eine erste Leistungselektronik mit einem ersten Inverter und eine zweite Leistungselektronik mit einem zweiten Inverter aufweist, wobei der erste Inverter mit dem ersten Akkumulator elektrisch verbunden vorliegt und der zweiten Inverter mit dem zweiten Akkumulator elektrisch verbunden vorliegt. Die erste Leistungselektronik umfasst eine erste Ladungsausgleichs-Vorrichtung, während die zweite Leistungselektronik eine zweite Ladungsausgleichs-Vorrichtung umfasst. Die Ladungsausgleichs-Vorrichtungen sind zur Durchführung eines Ladungsausgleichs zwischen den Akkumulatoren eingerichtet. Darüber hinaus umfasst die Werkzeugmaschine eine Vorrichtung zur Drehzahlreglung. In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung eines Ladungsausgleichs zwischen zwei Akkumulatoren in einer Werkzeugmaschine. Die Durchführung des Ladungsausgleichs erfolgt dabei vorzugsweise durch eine unterschiedliche Lastaufteilung über die Ladungsausgleichs-Vorrichtungen der Leistungselektroniken.

Description

WERKZEUGMASCHINE UND VERFAHREN ZUR DURCHFÜHRUNG EINES LADUNGSAUSGLEICHS ZWISCHEN AKKUMULATOREN IN EINER WERKZEUGMASCHINE
Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einem ersten Akkumulator und einem zweiten Akkumulator, wobei die Werkzeugmaschine eine erste Leistungselektronik mit einem ersten Inverter und eine zweite Leistungselektronik mit einem zweiten Inverter aufweist, wobei der erste Inverter mit dem ersten Akkumulator elektrisch verbunden vorliegt und der zweiten Inverter mit dem zweiten Akkumulator elektrisch verbunden vorliegt. Die erste Leistungselektronik umfasst eine erste Ladungsausgleichs-Vorrichtung, während die zweite Leistungselektronik eine zweite Ladungsausgleichs-Vorrichtung umfasst. Die Ladungsausgleichs-Vorrichtungen sind zur Durch führung eines Ladungsausgleichs zwischen den Akkumulatoren eingerichtet. Darüber hinaus umfasst die Werkzeugmaschine eine Vorrichtung zur Drehzahlreglung. In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung eines Ladungsausgleichs zwischen zwei Akkumulatoren in einer Werkzeugmaschine. Die Durchführung des Ladungsausgleichs erfolgt dabei durch die Ladungsausgleichs-Vorrichtungen der Leistungselektroniken.
Hintergrund der Erfindung:
Im Stand der Technik sind Werkzeugmaschinen bekannt, mit denen unterschiedliche Arbeiten durchgeführt werden können. Beispielsweise sind Bohrhämmer, Meißelgeräte, Trenn- oder Win kelschleifer, Schraubgeräte oder Kembohrgeräte bekannt, bei denen jeweils ein Werkzeug durch einen Motor angetrieben wird. Eine Energieversorgung kann über einen Netzanschluss oder mit Batterien oder Akkumulatoren („Akkus“) bereitgestellt werden.
Es sind eine Reihe von Anwendungsfällen solcher Werkzeugmaschinen bekannt, bei denen hohe Leistungen erforderlich sind, um die entsprechenden Arbeiten durchzuführen. Bei Werk zeugmaschinen, deren Energieversorgung von einem Akkumulator gebildet wird, kann es Vor kommen, dass die für die Arbeit erforderliche Leistung die maximal mögliche Abgabeleistung des Akkus übersteigt. Um dieser Herausforderung zu begegnen, werden solche Werkzeugma schinen häufig mit einer Schnittstelle für zwei Akkumulatoren ausgestattet, um mit zwei Akkus, die in Reihe oder parallel geschaltet werden können, die gewünschte Leistung bereitstellen zu können. Bei der Arbeit mit Werkzeuggeräten mit zwei Akkumulatoren kann aber folgendes Problem auf- treten: Wenn einer der Akkus ganz oder teilweise entladen ist, kann für die Werkzeugmaschine nicht über den gesamten Arbeitszeitraum die volle Leistung erbracht werden. Sobald einer der Akkus vollständig entladen ist, kann keine weitere Leistung aus den Akkus entnommen werden. Die Arbeit mit der Werkzeugmaschine muss dann möglichweise - trotz vorhandener Restladung in einer der beiden Akkus - beendet werden.
Aus dem Stand der Technik sind Werkzeugmaschinen mit zwei Akkumulatoren bekannt, bei denen die Akkus in Reihe geschaltet und auf einer Leistungselektronik geführt sind. Bei solchen konventionellen Werkzeugmaschinen sind die Leistungselektronik und der Motor der Werk zeugmaschine auf eine doppelte Betriebsspannung ausgelegt. Die doppelte Betriebsspannung entspricht dabei dem Doppelten der Spannung eines der Akkumulatoren. Beispielsweise offen bart die DE 11 2017 002 637 T5 ein System mit zwei Batteriepackungen, wobei die erste Batte riepackung zu der zweiten Batteriepackung selektiv elektrisch in Reihe geschaltet vorliegt.
Darüber hinaus sind im Stand der Technik Werkzeugmaschinen bekannt, deren Motoren mehre re Wicklungssysteme bzw. Wicklungsgruppen umfassen.
Nachteilig bei diesen Werkzeugmaschinen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, ist, dass die Gesamtleistung jeweils maßgeblich durch das Leistungsvermögen des schwächeren Akkumulators bestimmt wird. Eine Aufteilung der Einzelleistungen bezogen auf den Zustand des Akkus ist nicht möglich. Eine solche Aufteilung der Einzelleistungen wird im Sinne der Erfindung bevorzugt als „unidirektionale Anpassung“ bezeichnet. Es kann Vorkommen, dass nach Abschal tung einer Unterspannung in einem der beiden Akkumulatoren eine erhebliche Restladung vor handen ist, die auch nicht mehr verwertet werden kann, ohne dass eine Aufladung der Werk zeugmaschine bzw. ihrer Akkumulatoren erfolgt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vorstehend beschriebenen Mängel und Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Werkzeugmaschine mit mindestens zwei Akkumulatoren sowie ein Verfahren zur Durchführung eines Ladungsausgleichs zwischen zwei Akkumulatoren in einer Werkzeugmaschine bereitzustellen, mit denen ein verbesserter Ladungsausgleich zwischen den Akkus ermöglicht werden soll. Ein Anliegen der Erfindung ist insbesondere auch, dass der Ladungsausgleich in beide Richtungen erfolgen soll. Die Fachwelt würde es darüber hinaus begrüßen, wenn eine technische Lösung bereitgestellt werden könnte, mit der ein Ladungsausgleich zwischen den Akkumulatoren einer Werkzeugmaschine zumindest auch während des Betriebs bzw. während der Arbeit mit der Werkzeugmaschine durchgeführt werden kann. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Aus führungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Beschreibung der Erfindung:
Die Aufgabe wird dabei in einem ersten Aspekt durch eine Werkzeugmaschine mit einem ersten Akkumulator und einem zweiten Akkumulator gelöst, wobei die Werkzeugmaschine eine erste Leistungselektronik mit einem ersten Inverter und eine zweite Leistungselektronik mit einem zweiten Inverter aufweist, wobei der erste Inverter mit dem ersten Akkumulator elektrisch ver bunden vorliegt und der zweiten Inverter mit dem zweiten Akkumulator elektrisch verbunden vorliegt. Die erste Leistungselektronik umfasst eine erste Ladungsausgleichs-Vorrichtung und die zweite Leistungselektronik umfasst eine zweite Ladungsausgleichs-Vorrichtung, wobei die Ladungsausgleichs-Vorrichtungen zur Durchführung eines Ladungsausgleichs zwischen den Akkumulatoren eingerichtet sind. Die Werkzeugmaschine umfasst mindestens eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung, wobei die mindestens eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung den La- dungsausgleichs-Vorrichtungen vorgeschaltet ist.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Antriebssystem für eine elektrische Werkzeugmaschine. Die Werkzeugmaschine kann einen bürstenlosen Motor umfassen, wobei der Motor gemäß der vorliegenden Erfindung von zwei voneinander getrennten Akkumulatoren und Leistungselektro niken bestromt wird. Mit anderen Worten kann mit der Erfindung eine Werkzeugmaschine mit zwei getrennten Leistungselektroniken bereitgestellt werden, bei der die zwei Akkumulatoren über die Leistungselektroniken mit dem Motor der Werkzeugmaschine verbunden werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Komponenten des Systems so miteinander ver knüpft vorliegen bzw. interagieren, dass im normalen Betrieb der Werkzeugmaschine eine Bestromung des Motors basierend auf den Zuständen der Akkumulatoren optimiert wird. Diese Optimierung kann dadurch erreicht werden, dass die Ladungsausgleichs-Vorrichtungen der Leistungselektroniken zur Durchführung eines Ladungsausgleichs zwischen den Akkumulatoren eingerichtet sind. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die zur Durchführung eines La dungsausgleichs vorgesehenen Ladungsausgleichs-Vorrichtungen Steuerungsblöcke zur opti mierten Aufteilung einer Leistung zwischen den Akkumulatoren darstellen. Der Ausgleich der Ladungen erfolgt vorzugsweise durch Ströme bzw. Stromflüsse, wobei die Stromflüssen unter Verwendung der unten angegebenen Formeln ermittelt werden können.
Die mindestens eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung ist den Ladungsausgleichs-Vorrich- tungen vorgeschaltet. Das bedeutet mit anderen Worten, dass die Drehzahlregelungs- Vorrichtung vor dem „Balancing-Regelungsblock“ innerhalb der Leistungselektronik vorgesehen ist. Somit ist die Drehzahlregelungs-Vorrichtung innerhalb des Leistungspfades vor der La- dungsausgleichs-Vorrichtung vorgesehen, d.h. der Ladungsausgleich erfolgt nach einer etwai gen Drehzahlregelung. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Vorrichtung zur Rege lung der Drehzahl der Werkzeugmaschine Bestandteil der Leistungselektronik ist. Es ist im Sin ne der Erfindung bevorzugt, dass jede der beiden Leistungselektroniken eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung umfasst. Es kann aber auch bevorzugt sein, dass nur einer der beiden Leis tungselektroniken eine Drehzahlregelungs-Vorrichtung aufweist.
Vorzugsweise wird im Kontext der vorliegenden Erfindung der elektrische Leistungspfad ausge hend von den beiden Akkumulatoren über getrennte Leistungselektroniken auf den Motor der Werkzeugmaschine geführt. Der Motor kann - wie später ausführlicher dargestellt wird - über getrennte Wicklungssysteme verfügen. Das bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Motor der Werkzeugmaschine, der vorzugsweise einen Rotor und einen Stator aufweist, zwei Wicklungssysteme umfasst. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Stator des Motors der Werkzeugmaschine ein erstes und eine zweites Wicklungssystem umfasst, so dass der Stator des Motors der vorgeschlagenen Werkzeugmaschine im Sinne der Erfindung bevor zugt als „doppelt gewickelter Stator“ bezeichnet wird. Vorzugsweise umfasst der Motor einen Rotor und einem Stator mit einem ersten Wicklungssystem und einem zweiten Wicklungssys tem. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass das Wicklungssystem als Dreiphasen-Wicklungssystem ausgebildet ist. Das bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Motor der vorgeschlagenen Werkzeugmaschine vorzugsweise drei Motorphasen je Wicklungssystem umfasst. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass ein Wicklungssystem bei einem dreiphasigen Motor drei Wicklungen umfasst, wobei die Wicklungen in einem Stern oder in einem Dreieck verschaltet vorliegen können.
Die Leistungselektroniken der Werkzeugmaschine umfassen je einen Inverter. Dabei ist der ers te Inverter mit dem ersten Akkumulator elektrisch verbunden und der zweite Inverter mit dem zweiten Akkumulator. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Invertern und den Akku mulatoren wird im Sinne der Erfindung vorzugsweise auch als „Zuordnung der Inverter zu den Akkumulatoren“ bezeichnet. Der Ladungsausgleich zwischen den Akkus der Werkzeugmaschine kann insbesondere dadurch optimiert werden, dass der erste und der zweite Inverter der Leis tungselektroniken dazu eingerichtet sind, Zustandsdaten in Bezug auf die Akkumulatoren zu ermitteln. Die Zustandsdaten können anschließend über eine Kommunikationsverbindung, die zwischen den Invertern besteht, miteinander ausgetauscht werden. Dabei können beispielswei se Rohdaten ausgetauscht werden. Es kann aber im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass bereits bearbeitete Daten oder die Ergebnisse von Auswertungen und Analysen, die inner halb der Inverter durchgeführt werden, ausgetauscht werden. Die Kommunikationsverbindung kann beispielsweise als Controller Area Network (CAN) oder als Universal Asynchronous Recei ver Transmitter (UART) ausgebildet sein.
Zur Erfassung der Zustandsdaten umfassen die Leistungselektroniken Sensoren und/oder Messvorrichtungen. Dabei können beispielsweise Spannungen vorzugsweise direkt über einen Spannungsteile von einem internen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) erfasst und digitalisiert wer den. Der Strom kann zum Beispiel mit Hilfe eines Shunts gemessen werden, wobei insbesonde re ein Spannungsabfall ermittelt und ausgewertet wird, um die Werte für den elektrischen Strom zu erhalten.
Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass die Werkzeugmaschine eine Sensorsystem zur Erfassung einer Position des Rotors der Werkzeugmaschine umfasst. Dabei kann es sich vorzugsweise um eine Winkelangabe alpha_Rotor handeln. Vorzugsweise kann dieses Sensorsystem aus den Leistungselektroniken heraus mit elektrischer Energie versorgt werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Position des Rotors der Werkzeug maschine erfasst und verwendet wird, um die Motorphasen des Motors korrekt zu bestromen. Darüber hinaus kann aus diesem Sensorsignal auch die Drehzahl bzw. die Winkelgeschwindig keit des Motors ermittelt werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Leistungselektroniken Steuervorrichtungen umfassen. Mithin umfasst die erste Leistungselektronik eine erste Steuervorrichtung, während die zweite Leistungselektronik eine zweite Steuervorrichtung aufweist. Es ist im Sinne der Erfin dung bevorzugt, dass die Steuervorrichtungen bevorzugt auch als „Steuerungen“ bezeichnet werden. Vorteilhafterweise liefern die Sensoren und Messvorrichtungen Mess- und Zustandsda ten an die beiden Steuerungen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die von den Sen soren und Messvorrichtungen ermittelten Mess- und Zustandsdaten, wie zum Beispiel Winkel signale, Spannungen, Ströme und/oder Temperaturen, darstellen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass insbesondere die Steuervorrichtungen der Leistungselektroniken über die Kommunikationsverbindung miteinander kommunizieren.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Zustandsdaten, die von den Leistungselektro niken bzw. ihre Mess- und Sensorsystemen ermittelt werden, Stromwerte und/oder Spannungs werte umfassen, die eine Leistungsfähigkeit der Akkumulatoren beschreiben. Vorzugsweise können die Leistungselektroniken einen Zustand der ihnen zugeordneten Akkumulatoren durch eine Messung der Betriebsgrößen Spannung (U1 , U2) und/oder Strom (11 , I2) ermitteln. Dabei steht der Index „1“ für die Strom- oder Spannungswerte des ersten Akkumulators, während der Index „2“ die Strom- oder Spannungswerte des zweiten Akkumulators beschreibt. Es stellt einen wesentlichen Vorteil der Erfindung dar, dass eine Leistungsfähigkeit der Akkumulatoren unter Verwendung der Strom- und/oder Spannungswerte ermittelt werden kann.
Ein Ladungsausgleich zwischen den Akkumulatoren der Werkzeugmaschine kann beispielswei se durch eine Optimierung basierend auf den Spannungswerten der Akkus ermöglicht werden. Der Ladungsausgleich erfolgt insbesondere unter Verwendung der Ladungsausgleichs-Vor- richtungen der Leistungselektroniken der Werkzeugmaschine. Diese Ladungsausgleichs-Vor- richtungen stellen sog. „Balancing-Regelungsblöcke“ dar, in denen sich die sich Ausgleichs ströme vorzugsweise wie folgt ergeben:
I ausgeglichen^ = I · U 1 / (Ui + U2) Und lausgeglichen_2 = I · U2 / (Ui + U2)
Der Buchstabe „I“ steht dabei vorzugsweise für den Sollstrom aus dem Drehzahlregler.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Zustandsdaten zur Optimierung des Ladungs ausgleichs ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend: Ladung der Akkumulatoren, Tempe ratur der Akkumulatoren, Quellspannung der Akkumulatoren, maximaler Entladestrom der Ak kumulatoren und/oder optimaler Entladestrom der Akkumulatoren, ohne darauf beschränkt zu sein. Darüber hinaus kann eine Temperatur der Elektronik der Werkzeugmaschine dazu ver wendet werden, einen Ladungsausgleich zwischen den beiden Akkumulatoren der Werkzeug maschine zu optimieren. In allgemeiner Form lässt sich die oben genannte Formel unter Ver wendung weiterer Optimierungskriterien k und Gewichtungen n wie folgt beschreiben: lausgeglichen_2 = I · (Pi · kl + P2 · k2 + P3 · k3 + . . . )
Um weiteres Optimierungspotential zu nutzen, können über eine Kommunikationsverbindung mit einem Batterie-Management-System (BMS) und/oder einem Zell-Management-System (ZMS) Eigenschaften und Zustände der Akkumulatoren erfasst werden. Synonym für den Begriff „Zell- Management-System (ZMS)“ kann im Kontext der vorliegenden Erfindung auch der Begriff „Cell- Management-System (CMS)“ verwendet werden. Die Werkzeugmaschine kann dazu ein Batte- rie-Management-System und/oder ein Zell-Management-System umfassen, wobei das Batterie- Management-System und/oder das Zell-Management-System dazu eingerichtet ist/sind, Zu standsdaten in Bezug auf die Akkumulatoren der Werkzeugmaschine zu erfassen. Eine Ausge staltung der Erfindung mit einem Batterie-Management-System (BMS) ist in Fig. 6 abgebildet. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Leistungselektroniken Vorrichtungen zur Stromregelung umfassen. Diese Vorrichtungen zur Stromregelung sind vorzugsweise den La- dungsausgleichs-Vorrichtungen nachgeschaltet. Das bedeutet mit anderen Worten, dass die Stromregelungs-Vorrichtung nach dem „Balancing-Regelungsblock“ innerhalb der Leistungs elektronik vorgesehen ist. Vorzugsweise ist somit die Stromregelungs-Vorrichtung innerhalb des Leistungspfades hinter der Ladungsausgleichs-Vorrichtung vorgesehen, d.h. der Ladungsaus gleich erfolgt vor einer etwaigen Regelung des Stroms. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Vorrichtung zur Regelung des Stroms Bestandteil der Leistungselektronik ist.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Vorrichtung zur Drehzahlregelung, die Vorrich tung zur Stromregelung und/oder die Inverter als Block-, Trapez- oder Sinuskommutierung reali siert sind.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung eines Ladungs ausgleichs zwischen zwei Akkumulatoren in einer Werkzeugmaschine, wobei das Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: a) Betrieb der Werkzeugmaschine, wobei ein Motor der Werkzeugmaschine von dem ers ten Akkumulator und dem zweiten Akkumulator mit elektrischer Energie versorgt wird, b) Ermittlung von Zustandsdaten in Bezug auf die Akkumulatoren durch die Leistungs elektroniken, c) Durchführung einer Drehzahlreglung durch eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung der Werkzeugmaschine, d) Durchführung des Ladungsausgleichs zwischen den Akkumulatoren in Abhängigkeit der zuvor ermittelten Zustandsdaten durch die Ladungsausgleichs-Vorrichtungen der Leistungselektroniken.
Die Durchführung des Ladungsausgleichs erfolgt vorteilhafterweise durch unterschiedliche Last aufteilung über die Ladungsausgleichs-Vorrichtungen der Leistungselektroniken.
In dem vorgeschlagenen Aufbau eines Elektromotors ist ein Rotor im Inneren des Motors ange ordnet, während der Stator um den Rotor herum angeordnet vorliegt. Der Stator kann beispiels weise drei Stator-Spulen-Paare umfassen, die jeweils aus einer ersten und einer zweiten Stator- Spule bestehen können. Die Stator-Spulen können insbesondere kreisförmig um den Rotor des Motors der Werkzeugmaschine angeordnet vorliegen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass sich die Stator-Spulen eines Stator-Spulen-Paares innerhalb des Stators im Wesentlichen gegenüberliegen.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Stator-Spulen des Stators in dem Sinne gleich oder im Wesentlichen gleich gewickelt sind, dass ihre Wicklungen eine erste Draht-Schicht und eine zweite Draht-Schicht umfassen, wobei die Draht-Schichten so ausgebildet sind, dass sie einen Betrieb des Motors der Werkzeugmaschine mit einer Drehzahl im Bereich der Drehzahl eines Vergleichsmotors, aber im Wesentlichen halber Leistung im Vergleich zu dem Ver gleichsmotor ermöglichen. Der Betrieb des Motors mit halber Leistung im Vergleich zu einem Vergleichsmotor wird insbesondere durch die Vorsehung von zwei Draht-Schichten ermöglicht, die in den Stator-Spulen vorhanden sind und die eine erste und eine zweite Wicklung des Sta tors des Motors der Werkzeugmaschine bilden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist es bevorzugt, dass die ersten Stator-Spulen die erste Wicklung umfassen und die zweiten Stator-Spulen die zweite Wicklung umfassen. Vorzugsweise umfasst der Stator in dieser Ausgestaltung drei Spulen-Paare, wobei jedes Spulen-Paar eine erste und eine zweite Spule umfasst. Die ersten Spulen, d.h. die erste Spule des ersten, zweiten und dritten Spulen-Paars, umfassen die erste Wicklung des Stators, während die zweiten Spu len, d.h. die zweite Spule des ersten, zweiten und dritten Spulen-Paars, die zweite Wicklung des Stators umfassen. Eine solche Ausgestaltung der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Stator zweimal im Wesentlichen identisch bewickelt wird. Die Vorsehung eines Stators mit zwei Wicklungen wird im Sinne der Erfindung bevorzugt als „doppelt gewickelter Stator“ bezeichnet. Die „doppelte Wicklung“ wird insbesonde re durch die erste Wicklung und die zweite Wicklung des Stators erreicht, wobei die Wicklungen je eine Draht-Schicht umfassen. Dabei bildet die Wicklung mit der ersten Draht-Schicht jeweils die erste Wicklung der Stator-Spule und die Wicklung mit der zweiten Draht-Schicht die zweite Wicklung der Stator-Spule. Vorzugsweise ist jede der Wicklungen so ausgelegt, dass die Wick lung den Motor der Werkzeugmaschine bei voller Drehzahl und halber Leistung betreiben kann. Somit wirkt der doppelt gewickelte Stator wie zwei einzelne Motoren, die allerdings auf einem Stator angeordnet bzw. aufgewickelt sind. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass sich die Teil-Leistungen der beiden Wicklungen im Wesentlichen zu der gesamten Leistung eines Ver gleichsmotors aufaddieren, wobei die Stator-Spulen des Vergleichsmotors im Wesentlichen voll ständig mit einer durchgehenden Draht-Schicht umwickelt sind. Dieser letzte Nebensatz bedeu tet mit anderen Worten bevorzugt, dass die Angabe der ganzen oder halben Leistung oder Drehzahl im Kontext der vorliegenden Erfindung in Bezug auf einen Vergleichsmotor erfolgt, wobei der fiktive Vergleichsmotor dadurch charakterisiert ist, dass er im Wesentlichen vollstän dig mit einer durchgehenden Draht-Schicht umwickelt ist. Es ist im Sinne der Erfindung bevor zugt, dass die die Spulen des Vergleichsmotors im Vergleich zu den Spulen des Motors der vor liegenden Erfindung die gleiche Windungszahl, aber einen doppelten Drahtdurchmesser aufwei sen. Mit anderen Worten sind die Spulen des Vergleichsmotors mit einem Draht gewickelt, des sen Durchmesser im Wesentlichen doppelt so groß ist wie bei dem Motor der vorliegenden Er findung.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die erste Wicklung der Stator-Spulen von einem ersten Inverter bestromt wird, während die zweite Wicklung der Stator-Spulen von einem zwei ten Inverter bestromt wird, so dass in Summe der beiden Wicklungen eine Leistung im Bereich des Vergleichsmotors für den Motor der Werkzeugmaschine bereitgestellt werden kann. Mit an deren Worten kann im Wesentlichen die gesamte Leistung eines Vergleichsmotors angefahren werden, wenn die Wicklungen des Stators von je einem Inverter bestromt werden. Vorzugsweise trägt jede Wicklung im Wesentlichen die Hälfte der Gesamt-Leistung eines Vergleichsmotors bei. Mit anderen Worten besteht der nominale Beitrag jeder der beiden Wicklungsschichten ca. 50 % der Leistung des Vergleichsmotors.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Vergleichsmotor keine zwei Wicklungen bzw. keine zwei Draht-Schichten umfasst, sondern lediglich eine Wicklung und eine Draht-Schicht, die die Wicklung bildet.
Im Kontext der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugmaschine vorgeschla gen, wobei die erste Wicklung der Stator-Spulen von einem ersten Inverter bestromt wird, wäh rend die zweite Wicklung der Stator-Spulen von einem zweiten Inverter bestromt wird, so dass eine Leistung im Bereich des Vergleichsmotors für den Motor der Werkzeugmaschine bereitge stellt wird. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass durch die Bestromung der Wicklungen durch die beiden Inverter die volle Leistung des Motors bereitgestellt werden kann, wobei diese volle Leistung vorzugsweise der vollen Leistung des Vergleichsmotors ent spricht.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die ersten Draht-Schichten der Stator-Spulen, die eine erste Wicklung bilden, von einem ersten Inverter bestromt werden, während die zweiten Draht-Schichten, die eine zweite Wicklung bilden, von einem zweiten Inverter bestromt werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Werkzeugmaschine einen ersten Akkumulator und einen zweiten Akkumulator umfasst. Mit dem im Kontext der vorliegenden Erfindung vorge- schlagenen doppelt gewickelten Stator kann ein Ladungsausgleich zwischen den Akkumulato ren der Werkzeugmaschine besonders einfach durchgeführt werden. Es ist insbesondere mög lich, dass der Ladungsausgleich in beide Richtungen erfolgen kann. Dieser beidseitige La dungsausgleich kann insbesondere dann stattfinden, wenn die Werkzeugmaschine im Stillstand ist.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der erste Akkumulator einen ersten Ladestand aufweist und der zweite Akkumulator einen zweiten Ladestand aufweist, wobei die Ladestände mittels dem zuvor beschriebenen Ladungsausgleich insbesondere mit Hilfe der Brückenschal tung ausgeglichen werden können, wenn die Werkzeugmaschine im Stillstand ist. Beispielswei se kann, wenn der erste Ladestand des ersten Akkus 75 % beträgt und der zweite Ladestand des zweiten Akkus 25 %, mit der Erfindung ein Ladungsausgleich mit dem Ziel durchgeführt werden, dass an dessen Ende beide Akkumulatoren einen Ladestand von etwa 50 % haben. Insbesondere ermöglicht ein so durchgeführter Ladungsausgleich, dass die Werkzeugmaschine länger effektiv genutzt werden kann, weil die Ladungen innerhalb der Akkumulatoren besser verteilt und so ausgenutzt werden können. Insbesondere wird die Situation vermieden, dass die Arbeit mit der Werkzeugmaschine beendet werden muss, obwohl einer der Akkumulatoren noch gut geladen ist.
In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung dargestellt, bei der die erste Wicklung über einen ersten Inverter mit einem ersten Akku verbunden ist, während die zweite Wicklung über einen zweiten Inverter mit einem zweiten Akku verbunden ist. Mit der in Fig. 3 dargestellten Schaltung kann ein Ladungsausgleich vorteilhafterweise sowohl bei Betrieb, als auch bei Still stand der Werkzeugmaschine ermöglicht werden.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zur Durchführung eines La dungsausgleichs zwischen zwei Akkumulatoren in einer Werkzeugmaschine offenbart, wobei die Werkzeugmaschine einen ersten Inverter zur Bestromung von ersten Stator-Spulen und einen zweiten Inverter zur Bestromung von zweiten Stator-Spulen umfasst, wobei die Inverter mit den Stator-Spulen eine Brückenschaltung bilden, die zur Durchführung eines Ladungsausgleichs zwischen den Akkumulatoren der Werkzeugmaschine eingerichtet ist. Es ist im Sinne der Erfin dung bevorzugt, dass die Stator-Spulen einen Stator bilden, der eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung aufweist, wobei der Ladungsausgleich dadurch erfolgt, dass elektrische Ener gie von der ersten Wicklung auf die zweite Wicklung des Stators übertragen wird, oder umge kehrt. Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmässigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zu sammenfassen.
In den Figuren sind gleiche und gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
Es zeigt: Fig. 1 Ausführungsbeispiel für einen doppelt gewickelten Stator gemäß einer bevorzug- ten Ausgestaltung der Erfindung
Fig. 2 Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des Stators mit drei Stator-Spulen- Paaren
Fig. 3 beispielhaftes Schaltbild für einen doppelt gewickelten Stator mit zwei Akkumula toren
Fig. 4 Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung des Stators, bei der die erste und die zweite Wicklung jeweils auf den ersten und zweiten Spulen der Stator-Spulen- Paare angeordnet sind
Fig. 5 beispielhafter Aufbau einer Grundschaltung einer Werkzeugmaschine mit zwei Akkumulatoren
Fig. 6 Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem Batterie- Management-System (BMS)
Fig. 7 beispielhafter Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform der ersten Leistungs elektronik der vorgeschlagenen Werkzeugmaschine mit zwei Akkumulatoren
Fig. 8 Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit nur einem Drehzahlregler
Fig. 9 Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der beiden Wicklungssysteme der Erfindung Ausführungsbeispiele und Figurenbeschreibung:
In den Fig. 1 bis 4 werden Einzelheiten zu dem Motor 12 der vorgeschlagenen Werkzeugma schine 10 offenbart. Einzelheiten und Schaltbilder zum Verfahren zur Durchführung eines La dungsausgleichs und zu der dafür vorgesehenen Werkzeugmaschine 10 finden sich in den Fig.
5 bis 8.
Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung des vorgeschlagenen Motors 12 der Werkzeugma schine 10, wobei eine Werkzeugmaschine 10 in den Figuren nicht dargestellt wird. Zu sehen sind in Fig. 1 der Rotor 14 und der Stator 16 des Motors 12 der Werkzeugmaschine 10, bei dem es sich vorzugsweise um einen bürstenlosen Elektromotor handelt. Der Stator 16 umfasst eine Reihe von Stator-Spulen 20, 30, die beispielsweise paarweise angeordnet sein können oder Stator-Spulen-Paare 18 bilden können. Vorzugsweise kann je eine Gruppe von Stator-Spulen als erste Stator-Spulen 20 und die andere Gruppe von Stator-Spulen als zweite Stator-Spulen 30 bezeichnet werden. Der Stator 16 des Motors 12 der Werkzeugmaschine 10 umfasst eine erste Wicklung 70 und eine zweite Wicklung 80, wobei die Wicklungen 70, 80 jeweils eine Draht- Schicht umfassen können. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die erste Wicklung 70 eine erste Draht-Schicht umfasst, während die zweite Wicklung 80 eine zweite Draht-Schicht umfasst. In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung umfasst jede Stator-Spule 20, 30 je eine erste Draht-Schicht und eine zweite Draht-Schicht, wobei die ersten Draht-Schichten der Stator-Spulen 20, 30 die erste Wicklung 70 des Stators 16 bilden, während die zweiten Draht- Schichten der Stator-Spulen 20, 30 die zweite Wicklung 80 des Stators 16 bilden. In einer ande ren Ausgestaltung der Erfindung die ersten Stator-Spulen die erste Wicklung und die zweiten Stator-Spulen die zweite Wicklung. Mit anderen Worten wird die erste Wicklung 70 in dieser Ausgestaltung der Erfindung um die Gruppe der ersten Stator-Spulen 20 gewickelt, während die zweite Wicklung 80 um die Gruppe der zweiten Stator-Spulen 30 gewickelt wird.
Jede der beiden Wicklungen 70, 80 ermöglicht einen Betrieb der Werkzeugmaschine 10 derge stalt, dass eine volle Drehzahl, aber lediglich eine halbe Leistung im Vergleich zum Betrieb ei nes Vergleichsmotors erbracht werden kann. Der Vergleichsmotor entspricht im Wesentlichen dem vorgeschlagenen Motor, allerdings weist der Stator des Vergleichsmotors lediglich eine Wicklung, d.h. eine Draht-Schicht, auf. Vorzugsweise wird jede der beiden Wicklungen 70, 80 des vorgeschlagenen doppelt gewickelten Stators 16 von einem Inverter 24, 34 bestromt, wobei die erste Wicklung 70 des Stators 16 des Motors 12 der Werkzeugmaschine 10 von dem ersten Inverter 24 bestromt wird, während die zweite Wicklung 80 des Stators 16 des Motors 12 der Werkzeugmaschine 10 von dem zweiten Inverter 34 bestromt wird. Dadurch kann vorteilhafter- weise die gesamte Leistung des Motors 12 angefahren werden, wobei jede Wicklungsschicht 70, 80 nominal im Wesentlichen 50 % zur Leistung des Motors 12 beiträgt. Die in Fig. 1 von dem Motor 12 abgehenden Leitungen verlaufen vorzugsweise in Richtung der Inverter 24, 34.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Stator 16 der Werkzeugmaschine 10 Stator- Spulen 20, 30 aufweist, wobei die Stator-Spulen 20, 30 mit den Invertern 24, 34 eine Brücken schaltung 90 bilden. Vorzugsweise ist der Motor 12 der Werkzeugmaschine 10 ein bürstenloser Motor.
Fig. 1 zeigt darüber hinaus die elektrischen Leitungen, die jeweils zwischen den ersten Draht- Schichten 22 von nebeneinander liegenden Stator-Spulen 20, 30 bestehen können. Auf der In nenseite des Stators 16 können elektrische Leitungen angeordnet vorliegen, die jeweils die ers ten Draht-Schichten innerhalb einer Stator-Spule 20, 30 miteinander verbinden. Die Innenseite des Stators 16 ist vorzugsweise dem Rotor 14 des Motors 12 der Werkzeugmaschine 10 zuge wandt, da der Rotor 14 des Motors 12 der Werkzeugmaschine 10 im Inneren des Motors 12 der Werkzeugmaschine 10 angeordnet ist.
Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des Stators 16 des Motors 12 der Werkzeugmaschine 10 mit drei Stator-Spulen-Paaren 18. Jedes Stator-Spulen-Paar 18 umfasst vorzugsweise eine erste Stator-Spule 20 und eine zweite Stator-Spule 30, wobei sich diese erste Stator-Spule 20 und die zweite Stator-Spule 30, die gemeinsam ein Stator-Spulen-Paar 18 bilden, vorzugsweise im Stator 16 des Motors 12 der Werkzeugmaschine 10 gegenüber liegen. Die drei Stator- Spulen-Paare 18 werden in Fig. 2 und den Teilfiguren 2a, 2b und 2c als Stator-Spulen-Paare 18a, 18b und 18c bezeichnet.
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild für eine bevorzugte Ausführungsform vorgeschlagenen doppelt gewi ckelten Stators 16 mit zwei Invertern 24, 34. In der Mitte von Fig. 3 ist der Stator 16 des Motors 12 der Werkzeugmaschine 10 abgebildet. Die Buchstaben A, B, C stehen für die drei Stator- Spulen-Paare 18a, 18b und 18c, während die Zahlen 1 und 2 andeuten, ob es sich um die erste Stator-Spule 20 oder um die zweite Stator-Spule 30 eines Stator-Spulen-Paares 18 handelt. Mit anderen Worten bilden die Stator-Spulen A1 , B1 , C1 die ersten Stator-Spulen 20 der Stator- Spulen-Paare 18, während die Stator-Spulen A2, B2 und C2 die zweiten Stator-Spulen 30 der Stator-Spulen-Paare 18 bilden. Die ersten Stator-Spulen A1 , B1 , C1 sind vorzugsweise mit ei nem ersten Inverter 24 verbunden, während die zweiten Stator-Spulen A2, B2 und C2 vorzugs weise mit einem zweiten Inverter 34 verbunden sind. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Inverter 24, 34 und die Stator-Spulen 20, 30 eine Brückenschaltung 90 bzw. eine H- Brücke bilden, wobei mit dieser Brückenschaltung 90 ein Ladungsausgleich zwischen den Ak kumulatoren 40, 50 der Werkzeugmaschine 10 ermöglicht werden kann. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass der Motor 12 der Werkzeugmaschine 10 als Gleichstrom-Gleichstrom- Wandler eingesetzt wird. Dadurch kann elektrische Energie von der ersten Wicklung 70 des Sta tors 16 auf die zweite Wicklung 80 des Stators 16 übertragen werden, oder umgekehrt. Durch die Möglichkeit, elektrische Energie von einer Wicklung 70 des Stators 16 auf eine andere Wick lung 80 zu übertragen, kann die Energie auch von dem einen Akku 40 auf den anderen Akku 50 übertragen werden, so dass der Ausgleich von etwaigen Ladungsunterschieden erfolgen kann. Dieses Verfahren zum Ladungsausgleich kann insbesondere bei Stillstand der Werkzeugma schine 10 durchgeführt werden. Sein Vorteil besteht insbesondere darin, dass elektrische Ener gie in beide Richtungen übertragen werden kann.
Mit der vorgeschlagenen Erfindung des doppelt gewickelten Stators 16 kann auch ein Ladungs ausgleich während des Betriebs der Werkzeugmaschine 10 durchgeführt werden. Dazu kann der Inverter (Bsp: 24), der mit dem aufzuladenden Akku (Bsp: 40) verbunden ist, von dem Mo torbetrieb in den generatorischen Betrieb umgeschaltet werden. Dadurch kann die Kapazität des volleren Akkus (Bsp: 50) verwendet werden, um den Akku (Bsp: 40) mit dem geringeren Lade stand wieder aufzuladen. Dieses Verfahren kann insbesondere durch das Einprägen eines klei nen Bremsmoments ermöglicht werden.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung des Stators 16, bei der die erste Wicklung 70 und die zweite Wicklung 80 jeweils auf den ersten Spulen 20 und zweiten Spulen 30 der Stator-Spulen-Paare 18 angeordnet sind. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, dass die ersten Stator-Spulen 20 die erste Wicklung 70 des Stators 16 umfassen und die zweiten Stator- Spulen 30 die zweite Wicklung 80 des Stators 16. Vorzugsweise umfasst der Stator 16 in dieser Ausgestaltung der Erfindung drei Spulen-Paare 18, wobei jedes Spulen-Paar 18a, 18b, 18c eine erste Spule 20 und eine zweite Spule 30 umfasst. Die ersten Spulen 20, d.h. die erste Spule 20 des ersten Spulen-Paars 18a, des zweiten Spulen-Paars 18b und des dritten Spulen-Paars 18c, umfassen die erste Wicklung 70 des Stators 16 des Motors 12 der Werkzeugmaschine 10, wäh rend die zweiten Spulen 30, d.h. die zweite Spule 30 des ersten Spulen-Paars 18a, des zweiten Spulen-Paars 18b und dritten Spulen-Paars 18c, die zweite Wicklung 80 des Stators 16 umfas sen. Die ersten Stator-Spulen 20 werden in Fig. 4 mit A1 , B1 , C1 bezeichnet, während die zwei ten Stator-Spulen 30 in Fig. 4 mit A2, B2, C2 bezeichnet werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass auch die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform der Erfindung zum Betrieb des Motors 12 der Werkzeugmaschine 10 bzw. zur Durchführung eines Ladungsausgleiches zwischen den Akkumulatoren 40, 50 verwendet werden kann. Dabei wir die erste Wicklung 70 des Stators 16 von einem ersten Inverter 24 bestromt, während die zweite Wicklung 80 von einem zweiten Inverter 34 bestromt wird. Die Wicklungen 70, 80 sind so aus gebildet, dass sie den Motor 12 der Werkzeugmaschine 10 mit einer voller Drehzahl, aber halber Leistung im Vergleich zu einem Vergleichsmotor betreiben können. In Summe kann durch die Bestromung der beiden Wicklungen 70, 80 die volle Leistung für den Betrieb der Werkzeugma schine 10 bereitgestellt werden. Die Inverter 24, 34 und die Stator-Spulen 20, 30 bilden auch im Kontext dieser bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Brückenschaltung 90 bzw. eine H- Brücke, mit der ein Ladungsausgleich zwischen den Akkumulatoren 40, 50 durchgeführt werden kann. Der Ladungsausgleich erfolgt vorzugsweise dadurch, dass elektrische Energie von der ersten Wicklung 70 auf die zweite Wicklung 80 des Stators 16 übertragen wird, oder umgekehrt.
Fig. 5 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Grundschaltung einer Werkzeugmaschine 10 mit zwei Akkumulatoren 40, 50. Die Akkumulatoren 40, 50 sind über die Motorinverter 24, 34 mit dem Motor 12 der Werkzeugmaschine 10 verbunden und versorgen den Motor 12 mit elektri scher Energie. Insbesondere ist der erste Akku 40 über den ersten Inverter 24 mit dem Motor 12 verbunden, während der zweite Akku 50 über den zweiten Inverter 34 mit dem Motor 12 ver bunden vorliegt. Zwischen den Invertern 24, 34 besteht eine Kommunikationsverbindung 60, über die Zustandsdaten der Komponenten der Werkzeugmaschine 10 oder Betriebsparameter ausgetauscht werden können. Die Inverter 24, 34 sind jeweils Bestandteil einer Leistungselekt ronik 120, 130, die die Zufuhrvon elektrischer Energie an den Motor 12 bzw. einen Ladungs ausgleich zwischen den Akkumulatoren 40, 50 regeln. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der erste Inverter 24 Bestandteil der ersten Leistungselektronik 120 ist, während der zweite Inverter 34 Bestandteil der zweiten Leistungselektronik 130 ist. Die Kommunikationsverbindung 60 kann als CAN- oder UART-Verbindung ausgebildet sein.
Fig. 6 zeigt eine bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem Batterie-Management- System (BMS). Insbesondere zeigt Fig. 6 einen Ausschnitt aus der ersten Leistungselektronik 120 der Werkzeugmaschine 10. Die erste Leistungselektronik 120 umfasst den ersten Motor- Inverter 24, der dazu eingerichtet ist, über eine zweite Kommunikationsverbindung 61 mit dem Batterie-Management-System (BMS) zu kommunizieren. In Fig. 6 steht der Buchstabe «I» für den Batterie-Strom und der Buchstabe «U» für die Batterie-Spannung. Diese Größen werden vorzugsweise für die Ladungsausgleichsvorrichtungen 100, 110 benötigt.
Fig. 7 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform der ersten Leis tungselektronik 120 der vorgeschlagenen Werkzeugmaschine 10 mit zwei Akkumulatoren 40, 50. Als Komponenten der ersten Leistungselektronik 120 werden in Fig. 7 eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung 32, eine erste Ladungsausgleichs-Vorrichtung 100, eine Vorrichtung 22 zur Regelung eines Stromflusses und ein erster Inverter 24 abgebildet. Die Ladungsausgleichs- Vorrichtung 100 kann im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als „Balancing-Regelungsblock“ bezeichnet werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die vorgeschlagene Werk zeugmaschine 10 eine erste Leistungselektronik 120 und eine zweite Leistungselektronik 130 aufweist, wobei die zweite Leistungselektronik 130 vorzugsweise entsprechend der ersten Leis tungselektronik 120 aufgebaut ist. Vom Motor 12 ausgehend umfasst die zweite Leistungselekt ronik 130 einen zweiten Inverter 34, eine Vorrichtung 22 zur Regelung eines Stromflusses, eine zweite Ladungsausgleichs-Vorrichtung 110 und eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung 32.
Fig. 8 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit nur einer Vorrichtung zur Dreh zahlregelung 32. Es kann im Sinne der Erfindung bevorzugt sein, dass die Werkzeugmaschine 10 lediglich eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung 32 umfasst, die dann vorzugsweise vor den Ladungsausgleichs-Vorrichtungen 100, 110 angeordnet vorliegt. Hinter der Ladungsausgleichs- Vorrichtung 100, 110 spaltet sich der Leistungspfad in der in Fig. 8 dargestellten Ausgestaltung der Erfindung wieder in eine erste Leistungselektronik 120 und eine zweite Leistungselektronik 130, wobei die erste Leistungselektronik 120 eine Vorrichtung 22 zum Messen eines Stromflus ses, sowie einen ersten Motor-Inverter 24 umfasst. Die zweite Leistungselektronik 130 umfasst vorzugsweise ebenfalls eine Vorrichtung 22 zum Messen eines Stromflusses, sowie den zweiten Motor-Inverter 32.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Werkzeugmaschine 10 eine Ladungsaus gleichs-Vorrichtung (110 oder 110) umfasst, wobei diese eine Ladungsausgleichs-Vorrichtung (110 oder 110) mit einem der Inverter (24 oder 34) verbunden ist bzw. Bestandteil davon ist. Es kann im Sinne der Erfindung aber auch bevorzugt sein, dass die Werkzeugmaschine 10 zwei Ladungsausgleichs-Vorrichtungen (110 oder 110) umfasst, wobei jedem Inverter 24, 34 je eine Ladungsausgleichs-Vorrichtung (110 oder 110) zugeordnet ist. In Fig. 8 sind auch die Ist-Ströme IJst abgebildet, die aus den Inverter-Blöcken 24, 34 herauskommen. Der Strom „I“ zwischen dem Drehzahlregler 32 und der Ladungsausgleichs-Vorrichtung (110 oder 110) symbolisiert den Sollstrom aus dem Drehzahlregler 32.
Fig. 9 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der beiden Wicklungssysteme 70, 80 der Erfin dung. Bezugszeichenliste
10 Werkzeugmaschine
12 Motor der Werkzeugmaschine
14 Rotor
16 Stator
18 Stator-Spulen-Paar
20 erste Stator-Spule
22 Vorrichtung zur Stromregelung
24 erster Inverter
30 zweite Stator-Spule
32 Vorrichtung zur Drehzahlregelung
34 zweiter Inverter
40 erster Akkumulator
50 zweiter Akkumulator
60 Kommunikationsverbindung zwischen den Invertern
61 zweite Kommunikationsverbindung zwischen einem Inverter und dem Batterie- Management-System (BMS)
70 erste Wicklung
80 zweite Wicklung
90 H-Brücke oder Brückenschaltung
100 erste Ladungsausgleichs-Vorrichtung
110 zweite Ladungsausgleichs-Vorrichtung erste Leistungselektronik zweite Leistungselektronik

Claims

Patentansprüche
1. Werkzeugmaschine (10) mit einem ersten Akkumulator (40) und einem zweiten Akku mulator (50), wobei die Werkzeugmaschine (10) eine erste Leistungselektronik (120) mit einem ersten Inverter (24) und eine zweite Leistungselektronik (130) mit einem zweiten Inverter (34) aufweist, wobei der erste Inverter (24) mit dem ersten Akkumula tor (40) elektrisch verbunden vorliegt und der zweiten Inverter (34) mit dem zweiten Akkumulator (50) elektrisch verbunden vorliegt gekennzeichnet dadurch, dass die erste Leistungselektronik (120) eine erste Ladungsausgleichs-Vorrichtung (100) und die zweite Leistungselektronik (130) eine zweite Ladungsausgleichs-Vorrichtung (110) umfasst, wobei die Ladungsausgleichs-Vorrichtungen (100, 110) zur Durchfüh rung eines Ladungsausgleichs zwischen den Akkumulatoren (40, 50) eingerichtet sind, wobei die Werkzeugmaschine (10) mindestens eine Vorrichtung (32) zur Drehzahlre gelung umfasst, wobei die mindestens eine Vorrichtung (32) zur Drehzahlregelung den Ladungsausgleichs-Vorrichtungen (100, 110) vorgeschaltet ist.
2. Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die Werkzeugmaschine (10) einen Motor (12) umfasst, wobei der Motor (12) einen Ro tor (14) und einem Stator (16) mit einer ersten Wicklung (70) und einer zweiten Wick lung (80) umfasst.
3. Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet dadurch, dass die Inverter (24, 34) dazu eingerichtet sind, Zustandsdaten in Bezug auf die Akkumula toren (40, 50) zu ermitteln und über eine Kommunikationsverbindung (60), die zwi schen den Invertern (24, 34) besteht, auszutauschen.
4. Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 3 gekennzeichnet dadurch, dass die Zustandsdaten Stromwerte und/oder Spannungswerte umfassen, die eine Leis tungsfähigkeit der Akkumulatoren (40, 50) beschreiben.
5. Werkzeugmaschine (10) nach einen der Ansprüche 3 oder 4 gekennzeichnet dadurch, dass die Zustandsdaten ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend: Ladung der Akku mulatoren (40, 50), Temperatur der Akkumulatoren (40, 50), Quellspannung der Ak kumulatoren (40, 50), maximaler Entladestrom der Akkumulatoren (40, 50) und/oder optimaler Entladestrom der Akkumulatoren (40, 50).
6. Werkzeugmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die Leistungselektroniken (120, 130) Vorrichtungen (22) zur Stromregelung umfassen.
7. Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 6 gekennzeichnet dadurch, dass die Vorrichtungen (22) zur Stromregelung den Ladungsausgleichs- Vorrichtungen (100, 110) nachgeschaltet sind.
8. Werkzeugmaschine (10) nach einen der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die Vorrichtung (32) zur Drehzahlregelung, die Vorrichtung (22) zur Stromregelung und/oder die Inverter (24, 34) als Block-, Trapez- oder Sinuskommutierung realisiert sind.
9. Werkzeugmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass der Motor (12) ein bürstenloser Motor ist.
10. Werkzeugmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die Werkzeugmaschine (10) ein Batterie-Management-System (BMS) und/oder ein Zell-Management-System (ZMS) umfasst.
11 . Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 10 gekennzeichnet dadurch, dass das Batterie-Management-System (BMS) und/oder das Zell-Management-System (ZMS) dazu eingerichtet ist/sind, Zustandsdaten in Bezug auf die Akkumulatoren (40, 50) der Werkzeugmaschine (10) zu erfassen.
12. Verfahren zur Durchführung eines Ladungsausgleichs zwischen zwei Akkumulatoren (40, 50) in einer Werkzeugmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: a) Betrieb der Werkzeugmaschine (10), wobei ein Motor (12) der Werkzeugmaschine (10) von dem ersten Akkumulator (40) und dem zweiten Akkumulator (50) mit elektri scher Energie versorgt wird, b) Ermittlung von Zustandsdaten in Bezug auf die Akkumulatoren (40, 50) durch die Leistungselektroniken (120, 130), c) Durchführung einer Drehzahlreglung durch eine Vorrichtung (32) zur Drehzahlrege lung der Werkzeugmaschine (10), d) Durchführung des Ladungsausgleichs zwischen den Akkumulatoren (40, 50) in Ab hängigkeit der zuvor ermittelten Zustandsdaten durch die Ladungsausgleichs- Vorrichtungen (100, 110) der Leistungselektroniken (120, 130).
13. Verfahren nach Anspruch 12 gekennzeichnet dadurch, dass die Ladungsausgleich über eine unterschiedliche Lastaufteilung bewirkt wird.
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